在自然界尚未觀察到非生物的太陽光收集與利用系統(tǒng)，即暴露在太陽光下地球表面廣泛分布的天然礦物，長期受到太陽光輻射的響應(yīng)機(jī)制，一直未被認(rèn)識與利用。北京大學(xué)4月24日發(fā)布消息稱，該校地球與空間科學(xué)學(xué)院教授魯安懷等通過與美國弗吉尼亞理工大學(xué)等學(xué)者合作，率先證實(shí)無機(jī)礦物也可轉(zhuǎn)化太陽能系統(tǒng)，即存在“礦物光合作用”。此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為研究光合作用系統(tǒng)的起源和人工光合作用提供了新的視角。該成果以Photoelectric conversion on Earth’s surface via widespread Fe- and Mn-mineral coatings（《地表鐵錳氧化物礦物膜轉(zhuǎn)化太陽能光電效應(yīng)》）為題，已于2024年4月22日《美國科學(xué)院院刊》在線發(fā)表。
地球陸地上，有機(jī)生物和無機(jī)礦物共同暴露在陽光下。數(shù)十億年來，有機(jī)生物通過光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)能。那么，在地球表面廣泛分布的天然礦物，對太陽能是不是就“無動于衷”呢？
魯安懷團(tuán)隊(duì)通過對中國北方戈壁、沙漠以及南方喀斯特和紅壤等典型地貌中巖石/土壤樣品的深入系統(tǒng)觀測分析，發(fā)現(xiàn)直接暴露在太陽光下的巖石/土壤顆粒體表面普遍被一層鐵錳（氫氧）氧化物“礦物膜”所覆蓋，“礦物膜”產(chǎn)出特征和發(fā)育狀況與日照關(guān)系極為密切。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這些天然“礦物膜”具有穩(wěn)定、靈敏的日光光子—光電子轉(zhuǎn)換能力，證實(shí)了地球陸地上無機(jī)礦物也是太陽光能量吸收與轉(zhuǎn)化的一類重要物質(zhì)。
圖1 地表鐵錳氧化物半導(dǎo)體“礦物膜”原位產(chǎn)生日光光電流效應(yīng)
針對地表廣泛發(fā)育的鐵錳氧化物“礦物膜”具有太陽光光電轉(zhuǎn)化的半導(dǎo)體效應(yīng)這一自然規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，魯安懷團(tuán)隊(duì)提出在陽光照射下地表鐵錳氧化物“礦物膜”是地球上分布最廣的太陽能薄膜“新圈層”，即太陽光不僅作用于地表生物發(fā)生經(jīng)典光合作用，也一直作用于地表礦物發(fā)生非經(jīng)典“礦物光合作用”。
值得注意的是，“礦物膜”產(chǎn)出特征和發(fā)育狀況與日照關(guān)系極為密切，如富錳礦物僅在日光照射下的紅壤礦物顆粒、喀斯特和戈壁巖石正面“礦物膜”中出現(xiàn)，常見于半導(dǎo)體性能優(yōu)良的層狀結(jié)構(gòu)水鈉錳礦，而無光照的巖石背面則不富集水鈉錳礦。在全球陸地系統(tǒng)中，深色富錳“礦物膜”的分布恰與太陽光的強(qiáng)輻射區(qū)域相吻合。此現(xiàn)象在類地行星表面也有發(fā)現(xiàn)，如火星表面同樣發(fā)現(xiàn)深色富錳“礦物膜”存在于裸露巖石表面的證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)還表明，在錳化合物光電轉(zhuǎn)化性能上，巖石/土壤表面接受太陽光輻射的富錳“礦物膜”與生物光合作用系統(tǒng)PSII光反應(yīng)釋氧活性中心為錳簇（配）合物，具有異曲同工之妙。
研究人員通過應(yīng)用將微區(qū)與原位光電測試手段，直接測定天然“礦物膜”半導(dǎo)體光電效應(yīng)，獲得“礦物膜”與基巖高空間分辨率（微米）光電流信號面分布結(jié)果。研究還發(fā)現(xiàn)富鐵錳“礦物膜”區(qū)域表現(xiàn)出顯著的光電流信號，而無鐵錳元素富集的基巖不產(chǎn)生光電流響應(yīng)，這揭示出天然“礦物膜”具有穩(wěn)定、靈敏的日光光子—光電子轉(zhuǎn)換能力，獲得其在一定波長下具有恒定光電轉(zhuǎn)化效率的新認(rèn)識，證實(shí)地球陸地上無機(jī)礦物也是太陽光能量吸收與轉(zhuǎn)化的一類重要物質(zhì)。
圖2 類似人工太陽能薄膜功能的地表天然“礦物膜”構(gòu)成了地球“新圈層”
魯安懷團(tuán)隊(duì)還提出，在陽光照射下地表鐵錳氧化物“礦物膜”是地球上分布最廣的太陽能薄膜“新圈層”，無疑承載著吸收轉(zhuǎn)化太陽能并驅(qū)動地球化學(xué)元素循環(huán)、地球物質(zhì)演化與地球環(huán)境演變等重要功能。
在自然界已知的太陽光子和元素價電子兩種基本能量形式基礎(chǔ)上，魯安懷團(tuán)隊(duì)新提出礦物光電子是地表普遍存在的第三種能量形式的理論。這一新發(fā)現(xiàn)拓展了經(jīng)典光合作用模型，為地球生命活動能量來源及地表地球化學(xué)過程吸收利用太陽能提供了新模式，也為太陽系中類地行星如火星表面無機(jī)礦物轉(zhuǎn)化利用太陽能提供了重要借鑒，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
中國科學(xué)院生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任林榮呈研究員認(rèn)為，此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)大大拓展了人類對自然界太陽能利用途徑的新認(rèn)識，即天然無機(jī)礦物也存在與有機(jī)光合作用相當(dāng)?shù)奶柲苻D(zhuǎn)化利用系統(tǒng)，同時也對研究光合作用系統(tǒng)的起源和人工光合作用提供了新的視角。
延伸閱讀：
對“PNAS發(fā)表礦物轉(zhuǎn)化太陽能”工作的評述
中國科學(xué)院光生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任 林榮呈 研究員
地球生命的起源、進(jìn)化與環(huán)境的變遷、演化過程均依賴能量的獲取與轉(zhuǎn)化。在以往有關(guān)地表物質(zhì)能量獲取方式的認(rèn)知中，光合作用被譽(yù)為地球上規(guī)模最大、最重要的能量轉(zhuǎn)化反應(yīng)。光合作用是植物、藻類和光養(yǎng)微生物吸收利用光能將水和二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物和氧氣的過程，維持了地球二氧化碳和氧氣的循環(huán)，同時，幾乎為所有的異養(yǎng)有機(jī)體直接或間接提供能量。那么自然界是否還普遍存在著其它類型的太陽能收集和利用系統(tǒng)？這個問題似乎鮮有被提及和關(guān)注。
2024年4月22日，北京大學(xué)魯安懷及其合作者在《美國科學(xué)院院刊》發(fā)表了最新的研究結(jié)果，率先報道了自然界無機(jī)礦物轉(zhuǎn)化太陽能系統(tǒng)。揭示出太陽光也一直作用于地表礦物產(chǎn)生能量的吸收與轉(zhuǎn)化現(xiàn)象而發(fā)生非經(jīng)典光合作用。他們發(fā)現(xiàn)直接暴露在太陽光下的巖石/土壤顆粒體表面普遍被一層薄薄的、厚度僅為數(shù)十納米到上百微米不等的“礦物膜”所覆蓋。“礦物膜”的結(jié)構(gòu)構(gòu)造與化學(xué)成分顯著區(qū)別于被包覆的巖石或土壤顆粒，富含水鈉錳礦、針鐵礦、赤鐵礦等天然半導(dǎo)體礦物。這些“礦物膜”具有明顯的可見光光電響應(yīng)和穩(wěn)定、靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力。特別是，“礦物膜”由富含鐵錳（氫氧）氧化物構(gòu)成并具片層狀的空間結(jié)構(gòu)，這與植物葉綠體的類囊體片狀垛疊結(jié)構(gòu)構(gòu)型具有異曲同工之妙。光合作用的光化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在類囊體膜上具有精巧空間結(jié)構(gòu)的多個色素—蛋白復(fù)合體上，光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I的反應(yīng)中心在自然光能驅(qū)動下發(fā)生電荷分離，通過一系列電子載體進(jìn)行有序高效地電子傳遞，從而將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。而“礦物膜”在太陽光能驅(qū)動下會激發(fā)產(chǎn)生光電子—空穴對，自然環(huán)境中低價態(tài)離子與還原性有機(jī)質(zhì)如腐殖質(zhì)等物質(zhì)可有效捕獲光空穴，分離出光電子繼而發(fā)生一系列的電子傳遞過程，同樣完成光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。有意思的是，在光合作用系統(tǒng)與“礦物膜”的光化學(xué)反應(yīng)中，均離不開金屬元素鐵錳的參與。在光合作用過程中，水的裂解和氧氣釋放發(fā)生在光系統(tǒng)II富含錳的蛋白復(fù)合體上，而鐵氧還蛋白是光合電子傳遞鏈中非常重要的成員。該研究發(fā)現(xiàn)的巖石表面在模擬日光照射下產(chǎn)生顯著的光電轉(zhuǎn)化信號，恰與“礦物膜”中富集錳或鐵元素的區(qū)域相吻合。
此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)大大拓展了我們對自然界太陽能利用途徑的新認(rèn)識，即天然無機(jī)礦物也存在與有機(jī)光合作用相當(dāng)?shù)奶柲苻D(zhuǎn)化利用系統(tǒng)，同時，對研究光合作用系統(tǒng)的起源和人工光合作用提供了新的視角。
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